Mari Öö Sarv | Fotod: Karl-Kristjan Nigesen

Palju õnne aastapreemia puhul! Mida teie töö ehk uute 2D ja 3D mitmikpooljuhtide optiline spektroskoopia täpsemalt tähendab?

MG: Aitäh! Meeldiv tunnustus on see muidugi.

JK: Me uurime optilise spektroskoopia meetoditega erinevaid pooljuhtmaterjale ja meie lõppeesmärk on alati olnud nende kasutamine tuleviku päikesepatareides ja optoelektroonikas. Uurime mitmikühendeid, mis koosnevad isegi 5–6 keemilisest elemendist, aga ka kolmik- ja binaarseid ühendeid. Kõige lihtsam pooljuht on räni, seal on ainult üks keemiline element ja seda kasutatakse nii päikesepaneelides kui pooljuhtelektroonikas. Edukuselt järgmine on kaadmiumtelluriid, mille kasutegur päikesepatareides on üle 20%. Need on „lihtsad“ pooljuhid, aga meie oleme läinud veelgi keerulisemate juurde.

Milleks keerulisemad, kui lihtsad lahendused on juba olemas?

MG: Esiteks hind, teiseks kättesaadavus, kolmandaks mürgisus. Kui päikeseenergeetikasse panustava pooljuhtmaterjalide tööstuse mahud peavad meeletult kasvama, peab maakoores olema piisavalt ressurssi, mida sinna tööstu­sesse panna. Meie püüamegi kasutada selliseid elemente, mis oleksid hästi laialt levinud – see teeb nad odavaks –, mis poleks mürgised ning mida on lihtne taaskasutada ja hiljem utiliseerida. Räni on küll looduses palju, kuid kõrgekvaliteediliste ränikristallide kasvatamise protsess ei ole tegelikult odav ega energia­säästlik. Lisaks on päikeseelementides vajaliku räni kiht võrreldes uue põlvkonna materjalidega paindumatu ja ligikaudu sada korda paksem.

JK: Kallis ja keeruline on räni puhastamine ja kristalli kasvatamine. Tehastes kasvatatakse suured ränikristallid ning saetakse liistakuteks, mis pannakse päikesepaneelidele. Meie labori eesmärk on teha just õhukesi ja painduvaid päikesepaneele. Tuleviku päikesepatareide paksus 1 mikromeeter on sada korda õhem kui praeguste ränipatareide sajamikromeetrine kiht – juba sellega hoiame sada korda materjali pealt kokku.

MG: Sihime seda, et päikesepaneele saaks kasutada kõikjal, mitte ainult põllul ja katusel. Kogu maailm linnastub ja pole mõeldav, et seal on suured päikesepõllud, selle asemel tuleb päikesest elektri tootmiseks kasutada suurhoonete fassaade või aknaid, tegelikult kõiki pindu. Me tahame päikesepaneelid ehitistesse integreerida.

Millest need uue põlvkonna materjalid koosnevad?

JK: Meie oleme uurinud näiteks molübdeensulfiidi, molübdeenseleniidi, volframsulfiidi, volframseleniidi. Need on pooljuhtmaterjalid, millel vähendades paksust kuni ühekihilisuseni hakkavad tekkima uued füüsikalised omadused, mida paksul 3D-materjalil ei ole. See teebki nad huvitavaks ning nendega võib tulevikus tõepoolest muuta kõikide protsessorite ja muu pooljuhtelektroonika mõõtmeid ja energiatarbimist. Nimelt need õhukesekihilised pooljuhtmaterjalid tarbivad oma lülitustes palju vähem voolu kui räni. Nii et võime tulevikus saada mobiiltelefoni, mille aku peab vastu terve nädala.

Kui palju on maailmas laboreid, kes samu teemasid uurivad?

MG: Meil on koostööpartnereid päris palju. Üks meie unikaalsusi on aga luminestsents-spektroskoopa. Selles on meil sügavad juured ja laialdased teadmised, mistõttu oleme oodatud mitmetesse koostööprojektidesse.

JK: Pooljuhtmaterjalidega tegeldakse väga paljudes laborites üle maailma, aga seda ei tea kunagi, kui kaugel või lähedal on läbimurre. Praegu on meie suurim proovilepanek see, kuidas tõsta kesteriitsete materjalide kasutegurit päikesepaneelides.

MG: Kui kesteriidid tulid, siis nimetati neid aasta tulijateks, see pidi olema kõige keskkonnasõbralikum materjal ja ideaalsete omadustega päikesepatareide jaoks. Teoreetiliselt. Ühel hetkel aga oli platoo ees ja umbes viis aastat on kõik tipp-uurimisgrupid ühe joone peal, efektiivsus on 12% ringis ja paremaks ei saa.

Selgitage palun, mis need kesteriidid on.

MG: See sõna tuleb ühendi kristallstruktuurist. Klassikalised kesteriidid koosnevad neljast põhielemendist: vask, tsink, tina, väävel või seleen.

Kas võib olla, et 12% juures ongi efektiivsuse lagi, võib-olla teame sellest materjalist kõike?

MG: Kindlasti mitte. Tehnoloogia arengus on alati nii, et ühel hetkel jõutakse platooni, siis toimub läbimurre ja areng läheb jälle mõnda aega kiiremini edasi.

JK: Läbimurdeni jõudmiseks peab materjali hästi tundma. Kui räägime nii keerulisest teemast nagu need kesteriitsed materjalid on, siis võimalusi on väga palju ja jube raske on aru saada, kuidas materjal üldse toimib. Luminestsents-spektroskoopia aitab kaasa kristallides olevate defektide uurimisele. Tehnoloogid saavad siis teha väikseid parandusi oma tehnoloogiates vältimaks mõningaid defekte, mis tõepoolest halvasti mõjuvad. See on üks suur koostöö füüsikute ja tehnoloogide vahel, mis lõpuks peaks tooma edu ja läbimurde.

MG: Meil algas sügisel projekt, kus on ühiselt tegutsemas kõik Euroopa tipp-uurimisgrupid kesteriitide alal ja ühendame kõik senised teadmised ja jõud, et barjäärist üle hüpata. Kuid teaduses midagi ennustada on täiesti võimatu.

JK: Iga asi võtab aega, esimese räni baasil tehtud päikesepatarei kasutegur 1956. aastal oli 4%, tänaseks on see ca 26%. Siis, kui kesteriidid tulid, siis arvutati välja, et kasutegur tuleb samuti üle 20%. Teoreetiliselt. Kuid kui hakati tegema, siis saadi kätte vaid 12%. Kõik taandub defektstruktuurile, defektid „söövad“ valgusega genereeritud elektronid ära ja vooluringi jõuab neid palju vähem. Neid defekte peab nüüd uurima ja seda me teemegi. Eraldi küsimus on see, et kui me ka teame, millised on halvad defektid, siis on vaja leida tehnoloogiline võimalus neid kõrvaldada. Seegi pole lihtne. Keemiliselt on mitmekomponendilised pooljuhid väga keerulised, kõrvalfaaside tekkimine on üsna tõenäoline ja need rikuvad „hea kesteriidi“ ära.

MG: Päikesepaneelide tehnoloogiaid, mida maailmas paralleelselt arendatakse, on kümneid ja kümneid. On materjale, mis peaksid võimaldama kõrgemaid efektiivsusi, mingeid erilisi rakendusi jne. Meiegi oleme uurinud väga palju erinevaid materjale, kesteriidid on olnud üks fookus, kuid vaatame ka teisi materjale.

Olete oma uurimisvaldkonnas maailma tipus ja Maarja sai mullu ka L’Oréal Baltic programmi „Naised teaduses“ auhinna. Kas (ja miks) peaks naisi teaduses selliste programmidega esile tõstma?

MG: Kindlasti on see vajalik. Meie Eestis ja Baltikumis ehk ei tunneta, et naiste roll oleks teaduses kuidagi teistsugune, aga Euroopas vähemalt meie valdkonnas väga palju naisteadlasi ei ole. Naise rolli teeb keeruliseks pere- ja teaduselu ühildamine, tahes-tahtmata tekivad ühel hetkel karjääri pausid, kui oled otsustanud pere luua. Kuid sellega arvestatakse üha rohkem, näiteks projekti taotledes või uurimisgruppi luues – projekte saab pausile panna või võetakse hindamisel arvesse pikemat perioodi, sest kui oled kaks aastat kodus olnud, pole sul ju värskeid teadustulemusi ja artikleid ette näidata. Aga varem olidki kõik ühe pulga peal, hoolimata sellistest soolistest erisustest. Selles mõttes on naiste esiletõstmine vajalik. Endiselt on ka riike, kus naistel on teadusele raske ligi pääseda.

See on õrn joon, kas rõhutada, et teadlane on naine, või võtta seda, et naine on teadlane, loomulikult.

MG: Mina pole end sellepärast kunagi imelikult tundnud, et ma olen naine… välja arvatud päris alguses teatud konverentsidel väga konservatiivsetes riikides – Saksamaal, Prantsusmaal. Noor blond naisterahvas, füüsik ka veel, polnud päris elementaarne, et sind kohe tõsiselt võetakse, see võttis aega. Praeguseks on hästi, nii sellepärast, et suhtumine on muutunud, kui ka sellepärast, et olen ennast tõestanud.

JK: Eks ta naljakas ole, et meil on teadlased ja naisteadlased. Aga ma arvan, et üldse on inimesi teaduses vähe, andekaid teadlasi peaks olema rohkem, siis on lootust paremale elule. Väga paljud andekad noored on läinud muudele elualadele. Naisteadlane ei ole enam midagi erilist, kuid noortele on taolised programmid siiski heaks eeskujuks, sest koolist ikkagi tuleb suhtumist, et tehnikaalad ja teadus justkui ei oleks tüdrukutele. Kui suudame selliste programmidega tuua rohkem noori ja ka naisi teadusesse ja tehnikaaladele, on väga hea.

MG: Naisi kõrgharidusse tuleb tegelikult palju, paljud jõuavad ka doktorikraadini, aga siis tuleb mõõn, tihtipeale just pere loomise pärast. Nii ongi teadlaskonnas, professorite hulgas, naisi juba vähe.

Kas on mingi nüanss teaduses, kus naised ja mehed on erineva lähenemisega või kellelgi on mingi eelis?

MG: Võib-olla kannatus teha midagi pikemalt ja põhjalikumalt. Jüri oli minu doktoritöö juhendaja ning ta on mulle mitu korda öelnud, et mul on ahvi kannatus. Kui me mingeid mõõtmisi teeme, siis tihtipeale tema lööb käega, et siit ei tule midagi, aga minu järjepidevus on lõpuks viinud huvitavate ja vajalike tulemusteni. See on täiesti elementaarne, et teadusgrupis inimesed täiendavadki teineteist.

JK: Naised oskavad ka paremini rääkida. Nad suudavad jutu käigus kohe kõik välja mõelda, mehed teevad seda eraldi. Erinevused on olemas, me ei saa neid maha salata.

Millistel teadusarengutel veel silma peal hoiate?

JK: Me pole kitsalt kesteriitidele keskendunud. Kahedimensioonilised materjalid oli meil üks kõrvalteema, kuid kahjuks ei saanud me sellele rahastust. Oleme esimesena Eestis suutnud neid ise kasvatada ja uurida ning üks doktoritöö läheb kohe kaitsmisele. See pole aga meie suur eesmärk, rohkem on eesmärk ikkagi uued materjalid päikesepaneelides. Uurime ka antimon-seleniide, antimon-sulfiide ja igasugu kolmikühendeid, mis võiksid teoreetiliselt näidata häid tulemusi.

MG: Meie põhiline meetod, luminestsents-spektroskoopia, on üks parimaid meetodeid defektide uurimiseks ja selle poolest me maailmas tuntud oleme. Ramani spektroskoopiat kasutame väga palju ja veel mõningaid meetodeid. Kõik need tehnikad võimaldavad uurida materjalide põhilisi füüsikalisi omadusi ja lisaks defekte. Nagu ideaalset inimest ei ole olemas, pole ka ideaalset materjali olemas, alati on mõni defekt sees.

JK: Oleme füüsikaliste uurimistega baasteaduste poolel, ilma baasuuringuteta pole võimalik saada ka kesteriitide kasuteguri piirist üle. Meilt oodatakse seda hiljemalt nelja aasta pärast, siis lõpeb suur Euroopa projekt.

Kui kaua läheb laboris toimunud läbimurdest reaalse mõjuni, selliste paneelide massilise tootmise ja kasutamiseni, mis juba Eesti, Euroopa ja maailma energiatarbes muutust näitaks?

MG: Kõik võtab aega, et laborist välja jõuda. Kui hakkad laboris toimivat tehnoloogiat mastaapsemaks viima, tuleb sada uut probleemi välja ja see pole enam teadlaste rida, siin tulevad mängu tööstus, insener-tehniline pool, äri ja investorid oma ootustega ja turg oma nõudlusega ning lõpuks ka poliitikute otsused.

Tihti küsivad külalised, kus meil see tootmisliin on. Seda pole, laboris töötame siiski väikesemõõduliste näidistega. Kindlasti ei lähe uute tehnoloogiatega nii kaua, kui on läinud räniga, kuid turg määrab väga palju.

JK: Tootmise teeb kalliks see, kui toodetakse liiga vähe. Massiline tootmine on odavam, kuid ränipaneelide tootmisega võistlemiseks ei ole piisavalt tehaseid. Meie loodame muidugi, et ka kesteriit jõuaks sinnani, et räniga võistelda.

Kuid rohepöördest ei saa me rääkida enne, kui taastuvad energiaallikad saavad võitu fossiilsetest kütustest, mis ju praegu siiski lõviosas kasutusel. Kas 29 aastast, mis on jäänud süsinikuneutraalse Euroopa tähtajani, piisab?

JK: Rohelisemaks saame kindlasti minna, kuid 100% fossiilsete kütuste kaotamine ei sõltu ainult poliitikutest, vaid ka tehnoloogia arengust. Eesmärke paarikümneks aastaks panna on suhteliselt ohtlik, sest ehkki tehnoloogia areneb ja kindlasti väheneb ka meie põlevkivi põletamine, siis me ei ole suutelised ütlema, mis aastal täpselt põlevkivi enam ahju ei panda. Ka ränipõhiste päikesepatareide puhul on masskasutuseni veel aega. Näeme küll päikesepaneele ka Eestis juba väga palju, kuid päikeseenergia osakaal meie energiatarbimises on ikka veel väga väike.

MG: See on maailmas ainult mõni protsent, Eestis pisut rohkem, aga samas kasvab kogu aeg ja kasvab kõige jõudsamalt. Olemasolevad ränitehnoloogiad juba aitavad taastuvate energiaallikate võidukäiku saavutada, kuid suuremalt vaadates on nende ökojälg siiski nii suur, et tuleb arendada ka uusi tehnoloogiaid. Õhukesekilelistest paneelidest mitmed on startimiseks juba heal positsioonil. Kuid fossiilsetest kütustest võitu saamine tuleb niikuinii, nad muutuvad aina kallimaks ja nad saavad otsa.

JK: Päikesepaneelide massilist levimist pidurdab esialgu ka probleem energia salvestamises. Me ei saa sõltuda päikesest, saame vaid koguda energiat, mida ilusate ilmadega toodame, et seda pimedal ajal kasutada. Sama tuulikutega – kui tuult ei ole, tuleb kasutada seda energiat, mida oled salvestanud.

MG: Igasugust tehnoloogilist arengut vaadates võib öelda, et küll tuleb see salvestustehnoloogia ka. Mida suurem on vajadus, seda kiiremini tuleb areng, sest tulevad ka toetused kas teadusele või innovatsioonile, see omakorda toetab naabervaldkonda jne.

JK: Oleks muidugi hea, kui suudaksime midagi ka tulevastele põlvedele jätta, Eestis kasvõi põlevkivi. Ühe kWh elektri saamiseks põletame praegu 1,2 kg põlevkivi ahjus ära, tulevased põlved võiksid osata sellega ka midagi targemat teha. Muidugi ka põlevkivienergeetika areneb ja samamoodi rohepöörde suunal – omal ajal kulus kWh elektri saamiseks 3–4 kg põlevkivi. Kõik uued tehnoloogiad otsivad võimalusi vähendada keskkonnamõju ja suurendada kasutegurit.

MG: Mind siiski hämmastab see, kuidas Eesti riik, kes reklaamib end väga innovaatilise riigina, on nii väga innovatsiooni vastu energeetikas. Räägitakse üht, kuid teod ja otsused on jutule risti vastupidised. Meil saadakse asjadest aru siis, kui on juba hilja, et olla liidrirollis

Lisaks tõhusatele tehnoloogiatele on vaja toorainet ja tehaseid neile tõhusatele tehnoloogiatele ning lõpuks tuleb see kõik ka säästlikult utiliseerida.

MG: Praegu on see populaarne mõte, et kui sa midagi arendad, peab kogu tootmistsükkel silme ees olema, hällist surmani, esimesest toorainest viimase utiliseerimiseni. Kahjuks pole sellele varem mõeldud, kuid praegu on see küll väga oluline, kohustuslik vaade ka teadusprojektides.

JK: Kui võtame näiteks elektriautod, siis ma pole kindel, et akude tööstus ja utiliseerimine on probleemivabad ja mis hinnaga see kõik on. Kindlasti pole see nii roheline, kui esmapilgul paistab. Laadima peab ka elektriautot ja kui see elekter tuleb ikka põlevkivi põletamisest, siis see ei ole ju puhas. Kui elektriauto peale kirjutatakse, et saaste on null, siis „unustatakse“, et see saastamine lihtsalt toimub Kohtla-Järvel. Teadlased küll töötavad selle nimel, et saastet vähendada, kuid seda ei saa teha ilma peale maksmiseta. Iga uus tehnoloogia on vähemalt alguses kallis – kindlasti kallim kui põlevkivi ahju panna.

MG: See on huvitaval kombel üks argument, mida fossiilsete kütuste pooldajad üha välja toovad: „Kas te ikka mõtlete ka, mis summad alternatiivsete tehnoloogiate väljatöötamisele lähevad!“ Algus ongi kallis, kuid lõppkokkuvõttes tuleb odavam. Samamoodi oli ju põlevkivitehnoloogiate väljatöötamine alguses kallis.

JK: Tasuta ei saa midagi, kulub ressurssi ja sellega tuleb arvestada. Ka ränikristallide tehnoloogia on küll kallis ja energiamahukas, kuid see oli juba elektroonikatööstuse jaoks kasutusel ja sai kohe päikesepaneelides kasutusele võtta, sellepärast saidki ränipõhised paneelid sellise võidukäigu. Kesteriidid oleksid lihtsamad teha, õhukesekihiliste materjalide puhul jääb ära monokristallide kasvatamine ning ka materjalikulu on väga väike.

Süsinikuneutraalne Euroopa – mida see teie jaoks tähendab?

MG: Minu jaoks see tähendab, et teeme õiget asja. Kindlasti ei kiirenda see meie tööd, teaduse arengut ei saa tagant suruda. Mingil määral saame võimalusi juurde, rahaline pool võimaldab kaasata rohkem inimesi ja see mingil määral kiirendab, kuid ma ei ütleks, et nii kohutavalt palju.

JK: Ausalt öeldes meil, teadlastel, pole mingit roheega punapööret, meie läheme edasi nii, nagu tehnoloogia lubab ja alati on olnud areng selles suunas, et kasutada vähem ressursse ja saavutada suurem efektiivsus. Ega me rohepöörde leppeta päikeseenergeetikat vähem arendaks – meie teeme seda kogu aeg.

Kas kasumile ja kasvule orienteeritud elukorraldus saab olla rohepöördega kooskõlas või vastanduvad nad?

JK: See on filosoofiline küsimus – kas inimene on valmis loobuma neist hüvedest, mida ta saavutanud on? Roheliselt elamine on üks asi, kuid inimene on nii mugav olend, ma ei kujuta ette, kuidas öelda, et ärge ostke uut autot, sõitke 20 aastat sama sõidukiga.

MG: Eks igal aastal muutuvad autod ka igapidi ökonoomsemaks ja see 20 aastat vana auto võib olla hullem saastaja kui uus masin.

JK: Kuid see romu, mis kokku pressitakse, on samuti keskkonnakulu. Ning elektriauto süsinikujalajälg ei pruugi olla palju väiksem kui bensiiniautol. Esiteks jääb energia tarbimise saaste lihtsalt kusagile mujale ja teiseks on selle kasutegur palju väiksem kui bensiiniautol, midagi pole teha. Me ei näe energiakulu samamoodi nagu bensiini tankides ja seetõttu ei taju, et ressursse kulub rohkem. Seda ongi väga keeruline kalkuleerida. Me ei tea ka, kui palju me rohelisemad oleme, kui asendame osa kivisöe elektrijaamu tuulikutega, kuna tuul on muutlik ja kõikumiste tasandamiseks tuleb osa söeelektrijaamu tööle jätta, tsüklilise töörežiimiga saastavad need aga hoopis rohkem.

Tundub, et suur roll energiarevolutsioonis on matemaatikutel. Millest te unistate?

JK: Kogu teadusrahastussüsteem võiks muutuda nii, et me ei peaks siin projektide pärast kaela murdma. Kunagi sai ju ka kokku lepitud, et 1% SKP-st läheb teadusele, kirjutati alla ka, aga need kokkulepped ei pea. Teadusrahastus on läinud loteriiks, see on absurd. 2D-materjalide uurimise jaoks, osaliselt teema, mille eest saime teaduspreemia, olen kaks korda raha taotlenud. Ühel korral põhjendas retsensent negatiivset vastust sellega, et neid materjale ei saagi kasvatada – ehkki terve maailm seda teeb ja meiegi olime kasvatanud –, teisel korral, et nende materjalide juures on juba kõik välja uuritud ja rohkem pole midagi teha. Hea oli, et teiste projektide kõrvalt saime neid 2D-materjalide uuringuid siiski läbi viia.

MG: Teaduse sisu poolelt unistan mina, et saaksime kesteriitide kasuteguri tõstmisega hakkama. 15% oleks juba väga hea. Praegu on maailmas tase peaaegu 13%. Kui saame sellest platoost üle, on juba võimalik kiiremini edasi minna, arengukõverad käivad alati nii.

Mida te homme tegema hakkate, kui hommikul tööl tulete?

MG: Homme on minul vaja üle vaadata Jüril valminud teadusartikkel, teha ühe projekti aruanne ja tegelda tudengite lõputöödega. Katsed toimuvad laboris kogu aeg, aga läbi tudengite, meie veedame oma päevad arvuti taga.

JK: Mina ootan Maarja kommentaare artiklile, siis hakkan seda täiendama.